Teknik PCB - kajian integriti isyarat: masa naik isyarat dan lebar jalur

Saya telah menyebutkan dalam artikel sebelumnya bahawa kita perlu memperhatikan masa naik isyarat. Banyak masalah integriti isyarat disebabkan oleh masa meningkat isyarat pendek. Artikel ini akan bercakap tentang konsep asas: hubungan antara masa naik isyarat dan lebar banding isyarat.

Untuk litar digital, output biasanya isyarat gelombang kuasa dua. Tepi naik gelombang kuasa dua sangat tajam. Menurut analisis Fourier, mana-mana isyarat boleh dihapuskan ke dalam siri isyarat sinusoidal dengan frekuensi yang berbeza. Gelombang kuasa dua mengandungi komponen spektral yang sangat kaya.

Meletakkan analisis teori yang membosankan, kami menggunakan eksperimen untuk menganalisis secara intuitif komponen frekuensi dalam gelombang kuasa dua dan melihat bagaimana isyarat sinus frekuensi berbeza ditukar ke dalam gelombang kuasa dua. Pertama, kita menggantikan DC 1.65v dan gelombang sinus 100MHz untuk mendapatkan gelombang sinus frekuensi tunggal dengan ofset DC 1.65v. kita menggantikan isyarat sinusoidal dengan frekuensi ganda integer pada isyarat ini, yang biasanya disebut sebagai harmonik. Frekuensi harmonik ke-3 ialah 300MHz, frekuensi harmonik ke-5 ialah 500MHz, dan sebagainya, harmonik yang lebih tinggi ialah semua darab integer 100MHz. Gambar 1 adalah perbandingan sebelum dan selepas meletakkan harmonik yang berbeza. Sudut kiri atas ialah bentuk gelombang frekuensi asas 100MHz dengan ofset DC, dan sudut kanan atas ialah bentuk gelombang selepas frekuensi asas ditolak dengan harmonik ketiga, yang agak sama dengan gelombang kuasa dua. Sudut bawah kiri adalah bentuk gelombang frekuensi dasar + harmonik ke-3 + harmonik ke-5, dan sudut bawah kanan adalah bentuk gelombang frekuensi dasar + harmonik ke-3 + harmonik ke-5 + harmonik ke-7. Ia boleh dilihat secara intuitif bahawa komponen yang lebih harmonik ditolak, semakin bentuk gelombang mirip gelombang kuasa dua.

figur 1

Oleh itu, jika cukup harmonik ditolak, kita boleh sintesikan gelombang kuasa dua sekitar. Figure 2 adalah bentuk gelombang yang ditukar pada harmonik ke-217. Ia sudah sangat mirip dengan gelombang kuasa dua. Jangan peduli tentang burrs di sudut. Ia adalah fenomena terkenal Gibbs. Simulasi semacam ini pasti berlaku, tetapi ia tidak mempengaruhi pemahaman masalah. Di sini kita mempunyai frekuensi tertinggi harmonik superimposed sehingga 21.7GHz.

figur 2

Eksperimen di atas sangat membantu bagi kita untuk memahami ciri-ciri penting bentuk gelombang kuasa dua. Sinyal gelombang kuasa dua ideal mengandungi bilangan tak terbatas komponen harmonik. Ia boleh dikatakan bahawa lebar band adalah tidak terbatas. Terdapat ruang antara isyarat gelombang kuasa dua yang sebenar dan isyarat gelombang kuasa dua yang ideal, tetapi ada satu perkara yang sama, iaitu, ia mengandungi komponen spektrum frekuensi tinggi.

Sekarang kita melihat kesan daripada memaksa komponen spektral yang berbeza pada pinggir naik. Figure 3 adalah paparan perbandingan. Biru ialah pinggir naik isyarat frekuensi dasar, hijau ialah pinggir naik bentuk gelombang selepas harmonik ke-3 ditukar, merah ialah pinggir naik selepas frekuensi dasar + harmonik ke-3 + harmonik ke-5 + harmonik ke-7, dan hitam ialah ia ditukar ke pinggir naik bentuk gelombang selepas harmonik ke-217.

Figur 3

Melalui eksperimen ini, ia boleh dilihat secara intuitif bahawa komponen yang lebih harmonik, lebih lembut pinggir naik. Atau dari perspektif lain, jika pinggir naik isyarat adalah tajam dan masa naik adalah pendek, maka lebar band isyarat adalah sangat luas. Semakin pendek masa naik, semakin lebar bandwidth isyarat. Ini adalah konsep yang sangat penting, anda mesti mempunyai pemahaman intuitif, dalam fikiran anda, ia adalah sangat baik bagi anda untuk belajar integriti isyarat.

Di sini untuk bercakap, gelombang kuasa dua terakhir yang disintesis, frekuensi pengulangan bentuk gelombang ialah 100MHz. Menguasai harmonik hanya mengubah masa naik isyarat. Masa naik isyarat tiada kaitan dengan frekuensi 100MHz, dan ia adalah peraturan yang sama bila berubah ke 50MHz. Jika isyarat data output papan sirkuit anda hanya berpuluh-puluh MHz, anda mungkin tidak peduli tentang masalah integriti isyarat. Tetapi sekarang anda berfikir tentang kesan harmonik frekuensi tinggi dalam spektrum disebabkan masa naik pendek isyarat? Ingat kesimpulan penting: ia bukan frekuensi ulangan bentuk gelombang yang mempengaruhi integriti isyarat, tetapi masa naik isyarat.

Kod simulasi artikel ini sangat mudah, saya akan letakkan kod di sini, anda boleh menjalankannya pada matlab sendiri.

unit description in lists Kosongkan semua; pakej;

Fs = 10e9;

Nsamp = 2e4;

t = [0:Nsamp-1].*(1/Fs);

f1 = 1e6;

x0 = 3.3/2;

x1 = x0 + 1.65*sin(2*pi*f1*t);

x3 = x0;

untuk n=1:2:3

x3 = x3 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

akhir

x5 = x0;

untuk n=1:2:5

x5 = x5 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

akhir

x7 = x0;

untuk n=1:2:7

x7 = x7 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

akhir

figur

subplot( 221)

plot( x1)

subplot( 222)

plot( x3)

subplot( 223)

plot( x5)

subplot( 224)

plot( x7)

x217 = x0;

untuk n=1:2:217

x217 = x217 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

akhir

figur

plot( x217)

figur

plot( x217,'k')

Tunggu dulu.

plot( x1,'b')

plot( x3,'g')

plot( x7,'r')

tunggu

paksi ([8000 12000 - 0. 5 4])